鋅離子作為信號分子對心功能的影響

徐娟 王冬梅(綜述) 曾力群△(審校)

(1.遵義醫(yī)學院第三附屬醫(yī)院心內(nèi)科，貴州 遵義 563000；2.遵義醫(yī)學院附屬醫(yī)院心內(nèi)科，貴州 遵義 563003)

·綜 述·

鋅離子作為信號分子對心功能的影響

徐娟1王冬梅2(綜述) 曾力群1△(審校)

(1.遵義醫(yī)學院第三附屬醫(yī)院心內(nèi)科，貴州 遵義 563000；2.遵義醫(yī)學院附屬醫(yī)院心內(nèi)科，貴州 遵義 563003)

鋅； 信號傳導； 線粒體； 離子通道； 心力衰竭

鋅是人體內(nèi)的一種微量元素，是多種蛋白質(zhì)的關鍵組成部分，參與調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)及酶的合成和代謝。同時作為信號分子，鋅也參與了細胞的信號傳遞，在細胞信號傳導過程中發(fā)揮了重要作用[1]。鋅缺乏可影響生長發(fā)育、免疫炎癥反應，與糖尿病、心力衰竭有關；當人體內(nèi)鋅含量過高或達到毒性水平，也會對人體健康產(chǎn)生重要影響[2]。人體內(nèi)缺乏特定的鋅儲備部位，每天需從飲食中攝入才能維持其平衡并發(fā)揮正常的生理功能。血漿中鋅含量約13.8～22.9 μmol/L，在細胞內(nèi)，細胞質(zhì)中鋅含量最豐富(約50%)，其次為細胞核(30%～40%)，細胞膜中最少(約10%)[3]。研究發(fā)現(xiàn)，原核生物中，83%的含鋅蛋白參與酶的催化反應，而真核生物的鋅相關蛋白47%參與了催化反應，44%參與DNA轉(zhuǎn)錄，其余的還參與信號傳導[4]。根據(jù)哺乳動物內(nèi)鋅參與的生物行為不同，可分為三種形式：(1)非交換鋅/非反應活性鋅，與蛋白質(zhì)緊密結合，組成鋅庫；(2)轉(zhuǎn)移活性鋅，與配基疏松地結合，可與反應池中鋅進行轉(zhuǎn)換；(3)游離鋅或鋅的反應池[5]，Zn2+就是一種游離鋅，通過與蛋白質(zhì)結合或解離，影響蛋白質(zhì)功能。作為一種路易斯酸，Zn2+常常與蛋白質(zhì)的天冬氨酸、谷氨酸、半胱氨酸和組氨酸側(cè)鏈結合，其中，與半胱氨酸的結合作用最突出。Zn2+對蛋白質(zhì)構象靈活的協(xié)調(diào)作用可保證生物反應的準確進行[6]，甚至有人認為Zn2+在細胞生命活動中的重要性和復雜性可以與Ca2+媲美。本文從鋅穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)、Zn2+與細胞功能的關系及Zn2+對心臟的影響作簡要綜述。

1 鋅穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)

飲食中鋅經(jīng)小腸吸收后進入血液循環(huán)，主要與白蛋白或球蛋白結合[7]。由于Zn2+不能自由通過生物膜，需要在兩大鋅轉(zhuǎn)運蛋白家族的幫助下方能進入細胞內(nèi)，而且細胞內(nèi)Zn2+必須受到嚴格的調(diào)控，才能避免鋅缺乏或鋅中毒帶來的不利影響。鋅穩(wěn)態(tài)的維持主要由Zn2+轉(zhuǎn)運蛋白(Zn2+transporters，ZnTs) 、 Zn2+轉(zhuǎn)入體(Zn2+importers，ZIPs)、金屬硫蛋白(metallothioneins，MTs)調(diào)節(jié)。ZIP家族由14個亞型(ZIP1～ZIP14)組成，在蛋白結構上有8個跨膜結構域，可促進Zn2+由細胞外向細胞內(nèi)轉(zhuǎn)移或細胞器中Zn2+釋放入細胞質(zhì)[8]。Zn2+的轉(zhuǎn)出主要由ZnT蛋白調(diào)控，ZnT家族由10個亞型組成(ZnT1～ZnT10)，含有6個跨膜結構域，其金屬結構域含有共同的富組氨酸環(huán)[9]。當細胞內(nèi)Zn2+明顯增加時，ZnT可將Zn2+轉(zhuǎn)運到細胞外，或使Zn2+轉(zhuǎn)移到細胞內(nèi)其它部位，以維持細胞質(zhì)中Zn2+平衡；此外，當飲食中鋅缺乏或過量，或遇到其它生理刺激時，這些轉(zhuǎn)運蛋白家族的表達還具有組織特異性和異質(zhì)敏感性[10]。金屬硫蛋白是一種富含半胱氨酸的小分子蛋白(～14 kDa)，人體內(nèi)肝、腎、腸、胰腺均可大量合成MTs，主要分布于細胞內(nèi)高爾基體膜上，其半胱氨酸殘基(巰基)可結合生理及外源性的重金屬，從而調(diào)節(jié)Zn2+的動態(tài)平衡。研究表明，特異性敲除MT基因的小鼠不會出現(xiàn)明顯的發(fā)育缺陷，但在感染或炎癥的情況下，MTs為生存提供了有利條件[11]。各種刺激都使MT基因表達，該啟動子區(qū)域有特定的金屬應答元件(MRE)，高濃度的Zn2+可激活MRE結合轉(zhuǎn)錄因子(MRE-binding transcription factor 1，MFT1)，調(diào)控啟動子區(qū)域的MRE序列復制[12]。

2 鋅與細胞功能的關系

研究發(fā)現(xiàn)，Zn2+對多種信號通路都有重要的影響，近年來Zn2+在信號傳導通路的作用引起了研究者們的廣泛關注，Zn2+與蛋白質(zhì)結合引起的蛋白結構重排，最終影響細胞功能。

2.1 鋅在信號傳導通路中的作用 心肌細胞內(nèi)，Zn2+濃度遠遠低于Ca2+，但可作為細胞內(nèi)的信號分子，參與細胞間的信號傳導，將細胞外的刺激轉(zhuǎn)化為細胞內(nèi)信號，調(diào)控細胞內(nèi)生化反應。研究發(fā)現(xiàn)，Zn2+可抑制腺苷酸環(huán)化酶(adenylatecyclase，AC)，尤其是AC5及AC6亞型活性，或影響刺激型G蛋白ɑ亞基功能，抑制cAMP信號傳導。此外，Zn2+可誘導單個微管蛋白聚集形成二聚體，促進G蛋白激活[13]。因此，在各種化學和激素的刺激下，Zn2+將對cAMP和蛋白激酶A的信號傳導產(chǎn)生復雜的影響。蛋白酪氨酸磷酸酶1B(protein tyrosine phosphatase 1B，PTPlB)可抑制磷脂酰肌醇3激酶，負性調(diào)節(jié)胰島素和瘦素信號傳導。nmol水平的Zn2+可與蛋白質(zhì)的催化活性中心結合形成PTPlB，從而抑制蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatases PTPs)活性[14]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與PIPlB的結合可抑制ZIP-7介導的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中Zn2+釋放。Zn2+對PTPs的抑制作用還可誘導胰島素受體酪氨酸磷酸化、胰島素樣生長因子1受體、表皮生長因子酪氨酸激酶表達增加[15]。此外， Zn2+可與胰島素和脂聯(lián)素直接作用，影響其聚集，從而影響其活性[7]。因此，代謝性疾病如肥胖和糖尿病患者細胞內(nèi)Zn2+濃度的改變，可能與PTPlB信號傳導有關。

2.2 鋅在氧化還原中的作用 細胞對外界環(huán)境變化的反應有賴于蛋白質(zhì)活性的調(diào)節(jié)。蛋白質(zhì)中，作為分子開關的二硫鍵，與半胱氨酸或半胱氨酸調(diào)節(jié)的鋅結構域，可進行硫醇-二硫化物轉(zhuǎn)換，在蛋白質(zhì)翻譯后調(diào)節(jié)中也發(fā)揮了廣泛的作用，而細胞內(nèi)Zn2+能增加硫醇氧化活性[16]。心肌細胞內(nèi)，活性氧可促進細胞內(nèi)鋅動員，導致鋅的快速增加。此外，氧化應激過程可使MTs亞硝基化或硫醇基氧化，釋放Zn2+。Zn2+與蛋白的結合或解離，導致蛋白質(zhì)結構或功能的改變，從而影響氧化誘導的興奮收縮耦聯(lián)、信號轉(zhuǎn)導、線粒體功能[17]。這些發(fā)現(xiàn)可解釋為什么應用抗氧化劑可預防Zn2+和Ca2+流失，有助于糖尿病、心臟病的治療。電壓門控鉀通(Kv4 channel)，是調(diào)節(jié)神經(jīng)和心臟組織膜興奮性的關鍵因子，在活性硝化或氧化因子刺激下，Kv4.1通道的活性受巰基二硫化物調(diào)節(jié)，細胞內(nèi)一氧化氮與二硫鍵的結合，能迅速抑制Kv4.1通道中的Zn2+依賴性相關反應，這可能就是硝化/氧化反應可快速改變心臟和血管平滑肌鉀電流的原因[18]。

2.3 鋅在線粒體代謝方面的作用 Zn2+及氧化應激相關的Zn2+釋放也能影響線粒體酶活性，影響線粒體代謝功能，然而，目前有關Zn2+導致的線粒體功能障礙的機制研究還非常有限。研究發(fā)現(xiàn)，Zn2+與線粒體蛋白的結合或釋放，可導致氧化應激或氧化還原酶活性的改變，導致線粒體代謝改變。在線粒體基質(zhì)中，谷胱甘肽與Zn2+的螯合作用較細胞質(zhì)中更明顯。應用巰基反應劑N-乙基馬來酰亞胺，可導致細胞內(nèi)Zn2+大量釋放，表明Zn2+儲存于Zn2+半胱氨酸復合物中[19]。當GTP與MT結合時，ATP可與MT-2結合，ATPZn2+復合物的形成，可作為吡哆醛激酶和核黃素激酶輔助因子，影響能量代謝[20]。Zn2+也可以抑制線粒體電子轉(zhuǎn)運，刺激線粒體活性氧的產(chǎn)生。目前，已知的果糖1，6-二磷酸酯酶、3-磷酸甘油醛脫氫酶、硫辛酰胺脫氫酶都能被nmol濃度的Zn2+抑制[21]。線粒體基質(zhì)內(nèi)，Zn2+濃度升高還能抑制還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)生成，從而影響三羧酸循環(huán)和線粒體能量代謝[22]。在線粒體介導的細胞凋亡過程中，Zn2+可促進Bax相關線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔形成，促進細胞色素C釋放，激活Caspase級聯(lián)反應，導致細胞凋亡。同時Zn2+也可增加細胞內(nèi)Bax表達和Bax/Bcl-2比值，增強Bax相關凋亡效應。神經(jīng)元缺血時，應用Zn2+螯合劑能減少線粒體細胞色素C釋放和下游Caspase-3的激活[6]。此外，Zn2+與蛋白質(zhì)的直接結合，也能影響離子通道的功能，例如Zn2+與鉀通道的結合，可顯著抑制鉀通道的激活[23]。在背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元，細胞內(nèi)Zn2+增加，可激活瞬間受體電位離子通道1(transient receptor potential ankyrinl，TRPAl)，細胞內(nèi)半胱氨酸與TRPAl組氨酸殘基的相互作用，能使人產(chǎn)生不適的感覺，因此，Zn2+在突觸傳遞中也具有重要作用[24]。

3 鋅與心血管疾病

心肌細胞內(nèi)Zn2+大部分儲存在特定結構中，如肌漿網(wǎng)(sarcoplasmic reticulum，SR)內(nèi)或靠近SR末端。肌鈣集蛋白為肌漿網(wǎng)中鋅結合蛋白，l mol肌鈣集蛋白可以結合200 mol的Zn2+[25]。Zn2+對心臟的保護作用表現(xiàn)在四個方面：(1)對心肌細胞急性氧化應激的保護作用；(2)心肌損傷時的炎癥預防作用；(3)促進傷口愈合；(4)維持心臟干細胞對心臟愈合功能的必需物質(zhì)[9]。研究發(fā)現(xiàn)，細胞內(nèi)外Zn2+動態(tài)平衡的調(diào)節(jié)可能是影響心血管疾病的相關因素，鋅缺乏導致的相關疾病對心衰的發(fā)展起到了一定的促進作用。此外，Zn2+還參與了胰島素信號的傳導，對糖尿病心肌病發(fā)生發(fā)展也有潛在作用。

Zn2+缺乏(低于l nmol)可以抑制AC，顯著降低β-腎上腺素激活性[13]。Zn2+還可抑制L-型鈣離子通道(L-type calcium channel，LTCC)，阻礙Ca2+滲入細胞內(nèi)，從而抑制SR中Ca2+誘導的Ca2+釋放。心房或平滑肌細胞Ca2+電刺激失調(diào)，還可抑制心肌收縮速度[26]。在糖尿病小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，Zn2+可減少LTCC內(nèi)向電流，促進蘭尼堿受體和受磷蛋白磷酸化，從而減少細胞內(nèi)Ca2+超載，改善心肌舒張功能[27]。在動物研究中，低濃度的Zn2+可引起竇性心動過緩，而高濃度的Zn2+則可導致各種類型的心律失常，甚至心臟停搏[28]。研究中還發(fā)現(xiàn)，Zn2+可增加心臟射血分數(shù)，補鋅治療可使減低的心肌收縮功能改善[29]。

臨床研究也有發(fā)現(xiàn)，缺血性心肌病患者血漿Zn2+水平降低，糖尿病合并充血性心力衰竭患者尿鋅排泄增加[30]。血漿中Zn2+主要與血清白蛋白結合，但這種結合作用可被異位的游離脂肪酸破壞，最終導致低鋅血癥，細胞內(nèi)Zn2+減少[7]。理論上講，所有的外界條件都有可能導致心臟能量消耗改變，導致至少暫時性的游離脂肪酸升高，且在急性心肌梗死和慢性心衰患者中發(fā)現(xiàn)，血漿中Zn2+水平減低和游離脂肪酸增高相當明顯，因此，這兩者之間的關聯(lián)是不容忽略的[31]。心衰患者腸道再吸收Zn2+減少，利尿劑引起Zn2+丟失增加，或氧化應激使脂質(zhì)過氧化物增加，均可導致鋅缺乏，都有可能對心功能產(chǎn)生有害的影響。而且，在心衰的藥物治療中，噻嗪類利尿藥、呋塞米、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑，血管緊張素受體阻滯劑都會干擾Zn2+代謝，并導致鋅缺乏[32]。PKC是許多信號通路的核心分子，Zn2+的轉(zhuǎn)移能直接調(diào)控PKC活性，產(chǎn)生多種血管活性因子，引起動脈粥樣硬化的發(fā)生。慢性鋅缺乏則可促進血管平滑肌細胞增殖、鈣化，促進動脈粥樣硬化的進展[33]。然而，Zn2+對心肌細胞的作用機制目前仍然不完全清楚，有待進一步研究。

總而言之，以往的研究主要集中于Zn2+動態(tài)平衡方面，最新的研究發(fā)現(xiàn)，Zn2+作為信號分子，能影響心腦組織、免疫細胞、胰腺、前列腺和乳腺功能。此外，腫瘤的進展也可能與鋅穩(wěn)態(tài)破壞、Zn2+對細胞信號干擾有關。MT、ZnT和ZIP蛋白在組織中的特異性表達，也與疾病的發(fā)生進展有一定的關系。Zn2+與蛋白質(zhì)的結合或解離能導致蛋白結構和功能的改變，影響細胞的氧化還原狀態(tài)。Zn2+暴露還可抑制PTPlB，影響蛋白磷酸化，也將影響蛋白功能。綜上所述，Zn2+及其相關的信號事件機制非常復雜，沒有Zn2+的調(diào)節(jié)，細胞內(nèi)的生命活動將可能癱瘓。了解鋅的相關作用，有利于更深入了解鋅在心血管系統(tǒng)和其它組織中的生理和病理作用，為進一步研究鋅及其調(diào)控機制對維持和改善人類身體健康具有重要意義。

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